油田加熱爐節能增效新技術淺析*

王宗明 王杰松 王云鵬 李以善

（1.中國石油大學（華東）；2.山東省特種設備檢驗研究院有限公司）

加熱爐在油田油氣集輸系統中廣泛應用，其能耗較高，在油氣集輸系統總能耗中占很大比例[1]，占油田總能耗的四分之一左右[2]，降低加熱爐熱損失、提高其熱效率對降低油田生產成本、提高油田的整體效益具有十分重要的意義。

造成油田加熱爐能效較低的原因很多，主要是油田加熱爐現場使用條件變化較大，如油氣產量、環境溫度等經常變動。如果加熱爐參數不能自動適應，就會導致加熱條件與物料參數不匹配，使加熱爐運行效率降低；或者爐型落后，本身設計效率不高，也會導致燃料利用率不高，造成損失。近年來，國家政策不斷完善，環保要求日益嚴格，對能源利用效率也提出了更高的指標。油田相關單位針對油田加熱爐在高效清潔燃燒、節能環保等方面做了大量的研究，取得了較大的成果。國家《“十三五”節能減排綜合工作方案》要求國內萬元生產總值能耗繼續降低，到2020年應比2015年下降15%[3]，加熱爐又是油田生產中的耗能大戶，進一步提高加熱爐運行效率仍是非常緊迫的一個問題。

1 油田加熱爐運行現狀分析

油田加熱爐通過燃燒器將燃料燃燒，產生火焰和炙熱的煙氣，以加熱原油、天然氣、水等介質。目前，油田常用的加熱爐主要是水套式加熱爐、管式加熱爐以及導熱油爐等[4-5]。油田加熱爐受油井生產的限制，熱負荷波動較大；而且往往單臺熱負荷偏小，雖然被加熱介質流量較大，但是要求溫升小，一般不超過50℃。近幾年，國內油田非常重視對加熱爐運行狀況的測試分析[1，6-8]，典型統計數據見表1。

表1 國內油田加熱爐運行情況統計

由表1可知，國內油田加熱爐過剩空氣系數大、排煙溫度高、熱效率低等情況普遍存在。目前國外先進水平加熱爐的平均熱效率可達85%～90%[1]，因此，我國油田加熱爐的平均熱效率仍然較低。這主要是因為現場加熱爐良莠不齊，差異很大，部分產品熱效率較低；現場工作人員操作不夠精細，沒有及時調控加熱爐運行參數，導致加熱爐沒有在設計工藝參數下運行[9]。

國內油田加熱爐熱效率與國外先進水平加熱爐相比仍有差距，而且國內油田的生產成本偏高，進一步降低加熱爐的熱損失，提高其熱效率迫在眉睫。

2 加熱爐常用節能措施

2.1 提高燃燒效率

加熱爐把油氣的化學能轉化為熱能加以利用，燃燒器是其關鍵部件。對燃燒器的結構進行改造，采用新型燃燒技術，或更換新型燃燒器，提高燃料燃燒效率是提高加熱爐整體效率的前提。近年來，多種高效燃燒技術應用到油田加熱爐上，如燃油改燃氣、高效霧化燃燒技術、蓄熱燃燒技術、脈動燃燒技術、分級燃燒技術及富氧燃燒技術等[10-13]。保證燃燒高效、穩定地進行，通過燃燒高效地完成能量轉換，得到盡量多的熱能，才有可能提高加熱爐熱效率。

2.2 煙氣余熱利用

排煙熱損失是造成加熱爐熱效率低的重要因素[11-14]，排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，加熱爐熱效率下降。排煙溫度每降低13℃左右，就可以使加熱爐熱效率提高1%。加設對流室或擴大對流室傳熱面積，可以充分利用煙氣熱量，降低排煙溫度。在一定范圍內，隨著助燃風溫度增加，加熱爐熱效率增大。對于管式加熱爐，助燃風溫度增加20℃左右，爐子熱效率可增大1%。應用空氣預熱器加熱助燃風，既可以充分利用煙氣余熱、降低排煙熱損失，又可增加助燃風溫度，增大加熱爐熱效率；因此，采用空氣預熱器回收煙氣熱量是非常有效的節能措施。在條件具備時，也可以在加熱爐尾部安裝余熱回收換熱器。

2.3 減少爐墻散熱損失

爐墻內側為耐火層和隔熱層，外側為金屬壁面，但是爐體外表面溫度仍然會高于環境溫度，爐壁熱量會傳到環境中造成熱損失。根據檢測數據，加熱爐爐壁散熱損失較大，是加熱爐三大熱損失之一，有時甚至會超過30%[12-13]。為了增加爐墻熱阻，可以選用導熱系數更低的爐襯材料，如新型耐火纖維、陶瓷纖維等；或者既在內部設置爐襯，也在爐壁外噴隔熱涂料，可明顯降低散熱損失，提高加熱爐熱效率。因此，在經濟性允許的前提下，增加爐壁熱阻，降低爐壁外表溫度，是加熱爐節能的基本途徑，也是廣泛應用的節能措施。另外，爐墻密封不好，有氣體漏入，也會增加熱損失，漏入的空氣會增加煙氣量，使排煙損失增加。

2.4 合理控制過剩空氣量

加熱爐運行中，過剩空氣量太低，容易導致燃燒不完全；但過剩空氣量太高，也會增加煙氣量，降低燃燒溫度，減少火焰和煙氣對爐管的傳熱量，而且煙氣量太大也會增加排煙熱損失。過剩空氣系數過大或過小都不利于實現高效燃燒，油田加熱爐過剩空氣系數往往偏大[12-14]，是造成加熱爐效率較低的重要原因。對于油田集輸系統中的大功率加熱爐，應安裝助燃風自動調節系統，根據燃燒器出力等參數的變化，自動控制加熱爐過剩空氣系數，在保證燃燒高效、穩定的條件下，應盡量減少過剩空氣量。

2.5 提高加熱爐負荷率

在一定范圍內，隨著負荷率的增大，加熱爐熱效率呈增大趨勢[4]，適當提高加熱爐負荷率[14]可以提高加熱爐的熱效率。具體來說，應綜合考慮待處理油品的流量和溫升要求，結合現場加熱爐的額定功率，整合參數相同的加熱任務，盡量保證單臺加熱爐在較高的負荷率下運行，關停部分加熱爐，通過單臺加熱爐效率的提高和實際運行加熱爐臺數的減少，實現加熱爐的節能降耗。

2.6 提高傳熱效率

保證了燃燒器的燃燒效率，下一步的關鍵就是如何把燃燒產生的熱量高效地傳遞給被加熱介質。爐內傳熱涉及多種因素，包括火焰及煙氣與爐管的傳熱、爐管壁面內的熱傳導以及爐管壁面與被加熱介質的傳熱，如果是熱媒式加熱爐，還涉及到熱媒與被加熱介質間的換熱。針對傳熱的各個環節，有多種傳熱強化技術應用于油田加熱爐，以提高爐內的傳熱效率[15-19]，主要措施有：

1）優化盤管設計，提高對流換熱系數；

2）及時清理加熱爐爐管結垢，提高爐管傳熱效率；

3）改善爐內流動特性，增強對流換熱；

4）在爐管表面制作陶瓷涂層薄膜，減少結垢，強化傳熱效果；

5）在爐壁內側噴涂紅外輻射涂料，將輻射熱量反射回爐內，提高爐管的輻射吸收率。

3 加熱爐節能增效新技術

3.1 MVR低溫煙氣熱回收技術

為了降低排煙溫度，常在加熱爐上加裝空氣預熱器或增加對流段面積。但是，受加熱爐的原設計條件和加熱爐型式所限，加熱爐排煙溫度不能太低。實際上，即使排煙溫度達標，由于露點腐蝕及爐型的限制，排煙溫度一般仍會大于150℃，明顯大于環境溫度。因此，根據水汽化潛熱大的特點，利用煙氣余熱產生低壓蒸汽，使煙氣溫度進一步降低。然后將低壓蒸汽進行機械壓縮，提升蒸汽溫度，并采用相變傳熱換熱器對油品進行預加熱，這樣可以進一步回收利用煙氣熱量。機械蒸汽再壓縮[20-21]（MVR）低溫煙氣余熱回收技術流程見圖1。該技術尤其適合于現場廢熱鍋爐產生蒸汽無合適用途的情況。

以1.4MW加熱爐為例，對180℃低溫煙氣進行余熱回收利用，可以降低燃料消耗，節能超過8%。需要的主要設備為煙氣換熱器、蒸汽壓縮機和原油預熱換熱器等，投資回收期小于1.5年。

3.2 火焰形狀匹配技術

應用新型燃燒器或高效燃燒技術，基本可以保證燃料的充分燃燒。但對于具體爐膛來說，火焰形狀將影響火焰及煙氣與爐管的傳熱效率。火焰形狀主要是指火焰的長度、直徑等，火焰形狀與爐管匹配較好，有助于提高輻射室的傳熱效率[22-23]。火焰形狀不合適，會導致爐管表面熱流強度分布不均勻，局部熱流強度過大，容易引起管內該部位結焦，縮短清焦周期，也不利于熱量傳遞。使爐管表面熱流強度分布均勻，爐管表面最大熱流強度也會降低，消除了局部過熱，可延緩結焦，從而提高爐管整體取熱效率。

要獲得火焰形狀與爐膛、爐管結構的良好匹配關系，需要針對具體爐膛、爐管結構性進行研究，一般需要用數值模擬軟件來計算分析。以某煉油廠裂解爐為例，應用新型燃燒器，調整火焰形狀，裂解爐輻射傳熱效率大幅度提高，加熱爐同等加工量的燃料消耗降低了11%[23]。

3.3 納米流體傳熱強化技術

傳統傳熱工質（如水、油、醇等）傳熱效能較低，影響了加熱爐、換熱器的結構緊湊性和傳熱效率，在液體中添加高導熱系數的固體顆粒可以提高混合物的導熱系數，但固體顆粒易沉淀出來。納米流體是將微量的納米顆粒（1～100nm），以一定的方式和比例（0.05～0.1體積分數）與基液（水、油或其他液體）混合，形成一種導熱系數高、均勻穩定的新型傳熱工質。通過研究發現，金屬、金屬氧化物、碳納米管、石墨等納米顆粒與水和其他液體所形成的納米流體傳熱強化效果非常明顯[24-25]，其導熱系數可比水提高近10倍，對流換熱系數提高3～5倍。將納米流體傳熱強化技術用于導熱油爐或者水媒加熱爐，只需添加納米粒子及相應的混合器，不需要改變加熱爐結構，可顯著提高其傳熱效率。

3.4 太陽能輔助加熱技術

近年來，能源形勢日益嚴峻，新能源替代步伐不斷加快，太陽能輔助加熱鍋爐技術發展迅速[26-28]。該技術是指將太陽能集熱-蓄熱系統作為一個輔助加熱環節，與鍋爐熱力系統結合使用。結合的形式有多種，可以是太陽能與燃煤鍋爐結合，也可以是太陽能與燃油鍋爐結合。按照需求不同，可以是低溫利用，也可以是高溫利用。太陽能與常規能源結合利用是新能源利用的一個亮點，太陽能輔助加熱爐系統流程見圖2。

圖1 MVR低溫煙氣熱回收技術

圖2 太陽能輔助加熱爐系統流程

太陽能中高溫熱輔助鍋爐系統可以產生100～300℃的熱水和蒸汽。太陽能與傳統鍋爐相結合，通過減少鍋爐燃料用量來實現節能的目的，節能效果顯著[27-28]。采用納米強化固-液相變（NePCM）蓄熱技術[29-30]，同體積設備的蓄熱能力比水箱蓄熱可提高5～10倍，能使太陽能系統更加緊湊，為油田加熱爐的太陽能輔助加熱提供了可能。

針對山東力諾集團10t/h燃煤蒸汽鍋爐，進行太陽能輔助加熱試驗，節約燃料8.54%，并減少CO2的排放，具有良好的經濟效益和顯著的環境效益[28]。考慮到油田燃料（燃油或燃氣）價格遠高于煤，系統投資回收期小于3年。

4 結論

國家節能減排的要求不斷提高，同時低油價給油田生產也帶來了巨大的壓力，故迫切需要進一步降低油田生產能耗水平。通過一段時間努力，傳統的、顯而易見的節能措施大多已經付諸實施，要進一步降低油田加熱爐能耗水平，必須進行更深入的研究，采用更先進的節能技術，回收低溫煙氣熱量、強化加熱爐內部傳熱以及新能源利用將成為油田加熱爐節能降耗的新途徑。